(57)【要約】【課題】入水温度の変化により圧縮機の運転周波数が変化した場合に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができるヒートポンプ給湯装置を提供すること。【解決手段】圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置であって、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、前記周波数決定手段では、前記圧縮機の目標周波数を、前記外気温度検出手段で検出される外気温度と、前記入水温度検出手段で検出される入水温度を用いて決定するとともに、前記入水温度が変化し前記圧縮機の目標周波数が上昇した場合に前記圧縮機の周波数を所定時間毎に段階的に上昇させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置であって、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、前記周波数決定手段では、前記圧縮機の目標周波数を、前記外気温度検出手段で検出される外気温度と、前記入水温度検出手段で検出される入水温度に基づいて決定するとともに、前記入水温度が変化し前記圧縮機の目標周波数が上昇した場合に前記圧縮機の周波数を所定時間毎に段階的に上昇させることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
前記入水温度の変化が所定時間内に所定温度以上変化した場合にのみ、圧縮機の周波数を所定時間毎に段階的に上昇させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
前記入水温度が変化し前記圧縮機の目標周波数が上昇した場合に前記圧縮機の周波数上昇を所定時間遅らせることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
前記目標周波数が上昇した場合でも圧縮機起動後、または除霜運転終了後は圧縮機の周波数上昇を制限をしないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
ヒートポンプ回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】
使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項５記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有し、圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から能力可変の圧縮機を用いたヒートポンプ給湯装置が提案されている。  そして、貯湯タンクの出湯能力を十分に生かすために、給湯用熱交換器に導かれる入水温度に応じて圧縮機の能力を可変とするとともに、外気温度によっても圧縮機の能力を変更することで、貯湯タンク内の湯を全て沸き上げることが提案されている。すなわち、入水温度が高い場合には圧縮機の能力を下げることで圧縮機が早期に停止することを防止することができ、また外気温度が低い場合には圧縮機の能力を上げることで確実に沸き上げを行うことができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−４８４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ヒートポンプ給湯装置は、ガスの燃焼熱を利用した給湯装置や電気ヒータを用いた給湯装置と比較して、立ち上がりに時間がかかってしまうという問題がある。ヒートポンプ給湯装置の立ち上がりを早くするには、圧縮機の運転周波数を最高周波数として運転することが考えられるが、圧縮機の信頼性が低下してしまう。従って、過負荷状態にならないように、圧縮機の運転周波数を決定する必要がある。
【０００４】
上記のように特許文献１では、入水温度と外気温度によって圧縮機の能力を決定するものではあるが、貯湯タンク内の湯を確実に沸き上げるための制御であり、入水温度の変化により圧縮機の運転周波数指示が変化した場合の過負荷状態を回避する制御ではない。
【０００５】
本発明は、入水温度の変化により圧縮機の運転周波数が変化した場合に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機の目標周波数が上昇した場合に、圧縮機の周波数を所定時間毎に段階的に上昇させるようにしたものである。これにより入水温度の変化により圧縮機の運転周波数が変化した場合に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、入水温度の変化により圧縮機の運転周波数が変化した場合に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、外気温度を検出する外気温度検出手段と、給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、圧縮機の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、周波数決定手段では、圧縮機の目標周波数を、外気温度検出手段で検出される
外気温度と、入水温度検出手段で検出される入水温度を用いて決定するとともに、入水温度が変化し圧縮機の目標周波数が上昇した場合に圧縮機の周波数を所定時間毎に段階的に上昇させることにより、圧縮機の運転周波数が変化した場合に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【０００９】
第２の発明は、入水温度の変化が所定時間内に所定温度以上変化した場合にのみ、第1の発明である圧縮機の周波数を所定時間毎に段階的に上昇させるようにしたので、不必要な条件での周波数上昇の遅れを防止し時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【００１０】
第３の発明は、前記入水温度が変化し前記圧縮機の目標周波数が上昇した場合に前記圧縮機の周波数上昇を所定時間遅らせることにより、入水温度低下により給湯用熱交の温度が下がり冷媒との熱交換により圧縮機の吐出圧力が下がった後に、圧縮機の周波数を上げることになり、より確実に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【００１１】
第４の発明は、目標周波数が上昇した場合でも圧縮機起動後、または除霜運転終了後は圧縮機の周波数上昇の制限をしないようにしているので、圧縮機起動後、または除霜終了後のヒートポンプ給湯装置の立ち上がり性能を維持しつつ過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【００１２】
第５の発明は、ヒートポンプ回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたもので、給湯の水または空気を加熱することにより、給湯用熱交換器内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯用熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００１３】
第６の発明は、使用する冷媒を二酸化炭素としたもので、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。まず、ヒートポンプ回路について説明する。ヒートポンプ回路１０は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転するようにしている。このヒートポンプ回路１０は、圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリーチューブ１３Ｂ、及び蒸発器１４を順に配管で接続して構成されている。ヒートポンプ回路１０には、圧縮機１１からの吐出冷媒温度を検出する温度センサ１０Ａ、圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出する圧力センサ１０Ｂ、蒸発器１４の吸入空気を検出する温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｃを備えている。ここで、圧力センサ１０Ｂは圧縮機１１又はヒートポンプ回路１０の異常検出を行う。
【００１６】
次に、貯湯回路について説明する。貯湯タンク２０の底部配管２１は、流量調整弁３１を介して水道管等の水供給配管３２に接続されている。また貯湯タンク２０の底部配管２
２は、循環ポンプ２３を介して給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク２０の上部循環用配管２４は、水用配管１２Ａの流出側と接続されている。なお、本実施の形態による貯湯タンク２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。
【００１７】
一方、貯湯タンク２０の上部出湯用配管３３は、混合弁３４に接続されている。また、貯湯タンク２０の底部配管２１から分岐させた出水用配管３５は、混合弁３４に接続されている。混合弁３４の流出側の出湯回路は、シャワー、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口３６に接続されている。この出湯回路には、出湯量を検出する流量センサ３０Ａ、出湯温度を検出する温度センサ３０Ｂを備えている。
【００１８】
なお、貯湯タンク２０には、貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Dが設けられている。また、水用配管１２Ａの流入側配管には、貯湯タンク２０の底部配管２２から導出される入水温度を検出する温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｅが設けられている。また、上部循環用配管２４には、水用配管１２Ａから導出される出湯温度を検出する温度センサ（出湯温度検出手段）２０Ｆが設けられている。
【００１９】
次ぎにヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。貯湯タンク２０内の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Dによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定量以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。
【００２０】
ヒートポンプ回路１０では、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａ及びキャピラリーチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。
【００２１】
一方、循環ポンプ２３の運転により、貯湯タンク２０内の水は、底部配管２２を通って水用配管１２Ａに導かれ、水用配管１２Ａで加熱された温水は、上部循環用配管２４を通って貯湯タンク２０に戻される。
【００２２】
圧縮機１１での能力制御及び膨張弁１３での開度制御は、温度センサ１０Ａで検出される冷媒吐出温度が、あらかじめ設定された温度を維持するように制御される。
【００２３】
次に、ヒートポンプ給湯装置の貯湯運転起動制御について図２から図４を用いて説明する。図２は、圧縮機の周波数決定制御のブロック図である。規定周波数設定手段４１では、あらかじめ基準となる運転周波数を設定している。入水負荷設定手段４２では、入水温度によって、その温度範囲を複数の区間に区分し、それぞれの区分において増減する周波数を設定している。すなわち、この入水負荷設定手段４２では、入水温度が標準温度より高ければ規定周波数を減少させ、入水温度が標準温度より低ければ規定周波数を増加させるように設定している。
【００２４】
外気負荷設定手段４３では、外気温度によって、その温度範囲を複数の区間に区分し、それぞれの区分において増減する周波数を設定している。例えば、この外気負荷設定手段４３では、第１の設定温度と第２の設定温度を設け、外気温度が第１の設定温度と第２の設定温度の間を標準温度として規定周波数に変更を加えず、第１の設定温度より低い温度では低負荷温度として規定周波数を増加させ、第２の設定温度より高い温度では高負荷温度として規定周波数を減少させるように設定している。
【００２５】
入水負荷決定手段４４では、温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｅで検出した入水温
度と入水負荷設定手段４２で設定しているテーブルから入水負荷を決定する。外気負荷決定手段４５では、温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｃで検出した外気温度と外気負荷設定手段４３で設定しているテーブルから外気負荷を決定する。
【００２６】
目標周波数決定手段４６では、規定周波数設定手段４１であらかじめ設定している運転周波数に、入水負荷決定手段４４と外気負荷決定手段４５で決定された負荷に応じた周波数を加減算することで最終の目標周波数を決定する。この目標周波数決定手段４６で決定された目標周波数によって圧縮機１１を制御する。
【００２７】
この目標周波数決定手段４６によるとヒートポンプ回路１０により貯湯タンク２０内の水の沸き上げを行い沸き終いに近づくにつれ温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｅで検出される入水温度が上昇し目標周波数が下がっていく。その際に、シャワー等でお湯が使われると貯湯タンク２０の上部出湯用配管３３から貯湯タンク２０内のお湯が出湯され、水供給配管３２から水道水が底部配管２１を通して貯湯タンク２０供給されるため、温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｅで検出される入水温度が急激に低下し目標周波数決定手段４６で決定される目標周波数が上昇するため過負荷状態になり吐出圧力の上昇により圧力センサ１０Ｂが動作しシステムダウンをしたり、高圧上昇、液バック、高低圧差などによる圧縮機１１の信頼性が損なわれてしまう。
【００２８】
図３は、圧縮機の周波数制御の流れを示すフローチャートである。まずステップ１にて、目標周波数が上昇する等の制御開始条件が成立したと判断した場合、圧縮機の周波数上昇を所定時間に所定値に制限する周波数制御制御を行う。ステップ２にて、タイマーをスタートするとともに現在の周波数をＧＥＮＨｚとして記憶しタイマーのカウントが所定時間Ｔに到達するまで圧縮機周波数の上限にＧＥＮＨｚ＋α（所定値）のＭＡＸ制限を設ける。タイマーのカウントが所定時間Ｔに到達した場合に現在の周波数が目標周波数に到達しているかの判断を行い（ステップ３）、現在の周波数が目標周波数に到達している場合は制御終了、到達していない場合はステップ２に戻り本制御を継続する。
【００２９】
図４は、圧縮機の周波数上昇と吐出圧力の変化を示すグラフであり点線は従来制御、実線は本制御の周波数、吐出圧力を示している。図４に示すように、破線で示す圧縮機の目標周波数が急激に上昇した場合においては、吐出圧力が圧力センサの保護動作圧力を超えシステムダウンしていたものが本制御では所定時間Ｔごとに圧縮機周波数を所定値αしか上昇させないため吐出圧力の上昇を圧力センサの保護動作圧力以内の抑えることができシステムダウンを防ぐことができる。
【００３０】
以上のようにして、圧縮機の目標周波数が変化した場合に周波数の急上昇を防止することで過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく沸き上げを完了することができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、貯湯タンクを有する場合で説明したが、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし式のヒートポンプ給湯装置であってもよい。
【００３２】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置について説明する。図５は本実施の形態における圧縮機の周波数制御の流れを示すフローチャートである。実施の形態１との違いは、図５に示すようにステップ１にて、周波数決定手段４０において目標周波数が上昇する等の制御開始条件が成立したと判断した場合に、入水温度の変化が所定時間内に所定温度以上変化した場合に圧縮機の周波数上昇を所定時間に所定値に制限する周波数制御を行うという点であり、圧縮機周波数が大きく上昇する入水温度の変化が所
定時間に所定以上急激に変化した時のみに限定することができ高圧の上昇に対して問題ないレベルの不必要な条件での周波数上昇の遅れを防止し時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【００３３】
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置について説明する。図６は本実施の形態における圧縮機の周波数制御の流れを示すフローチャートである。実施の形態１、２との違いは、図６に示すようにステップ１にて、周波数決定手段４０において目標周波数が上昇する等の制御開始条件が成立したと判断した場合に、圧縮機の周波数を所定時間現状で維持した後、上昇を所定時間圧縮機の周波数上昇を所定時間に所定値に制限する周波数制御制御を行うという点であり、入水温度の低下により目標吐出温度設定が上昇しメイン膨張弁１３Ａが絞られても圧縮機周波数の上昇を遅らせているため、膨張弁１３Ａを絞るのと圧縮機周波数上昇を同時の行うことがなくなり、入水温度低下により給湯用熱交の温度が下がり冷媒との熱交換により圧縮機の吐出圧力が下がった後に、圧縮機の周波数を上げることになり、より確実に過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【００３４】
（実施の形態４）
以下、本発明の第４の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置について説明する。実施の形態１〜３との違いは、目標周波数が上昇した場合でも圧縮機起動後、及び除霜運転終了後所定時間は圧縮機の周波数上昇の制限をしないというものであり、高圧が高い値である安定時にのみ本制御を限定し、圧縮機起動後、及び除霜終了後のヒートポンプ給湯装置の立ち上がり性能を維持しつつ過負荷状態になりシステムダウンをしたり、高圧、液バック、高低圧差などによる圧縮機の信頼性を損なうことなく時間内で十分に沸き上げを完了することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明は、ヒートポンプ給湯装置における貯湯タンクの沸き上げ運転の他、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし運転にも適用でき、また本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯機能の他に、例えば、浴槽給湯機能、暖房機能、乾燥機能を有する装置にも適している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】同ヒートポンプ給湯装置の圧縮機の周波数決定制御のブロック図
【図３】同ヒートポンプ給湯装置の圧縮機の周波数制御の流れを示すフローチャート
【図４】同ヒートポンプ給湯装置の圧縮機の周波数上昇と吐出圧力の変化を示すグラフ
【図５】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の圧縮機の周波数制御の流れを示すフローチャート
【図６】本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ給湯装置の圧縮機の周波数制御の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
【００３７】
１０  ヒートポンプ回路
１０Ｃ  温度センサ（外気温度検出手段）
１１  圧縮機
１２  給湯用熱交換器
１４  蒸発器
２０  貯湯タンク
２０Ｅ  温度センサ（入水温度検出手段）
２０Ｆ  温度センサ（出湯温度検出手段）
【図１】
2005147542.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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